電磁爐能效提升及熱效率分析

2021-01-08 電子人生

家用電磁爐產品屬於小功率電磁加熱系統,主要在2200W以下,其能效一般都是三級(熱效率86%以上),二級能效(熱效率88%以上)都非常少。目前提升能效的方法大多聚焦在線圈盤上,其實能效是一門系統學科,不是某一個部件來決定的,本文從系統的角度對小功率電磁爐能效提升作一個探討。

電磁爐框架

電磁加熱依靠線圈盤產生高頻振蕩電流波形,在金屬鍋具上產生渦流而發熱,所以系統的三大件是主板、線圈盤和鍋具,三者匹配好才是一個完美的系統,國家標準為了測試能效制定了標準鍋的要求,要想在能效上達到國家標準,那麼設計以標準鍋作為參照,然而在用戶家裡是各種各樣的鍋,所以電磁爐就算標註二級能效,那也是用國家標準鍋得出的結論,在用戶使用中又得另當別論了,因為三大件中的鍋具變了,系統也就變了。

我們首先來看線圈盤,線圈盤的線圈目前採用銅材料和鋁材料,金屬材料有一個電阻溫度係數k,是指金屬材料在不同的溫度下,其阻值不同。

故根據其特性又分為正溫度係數和負溫度係數的金屬材料:

正溫度係數材料溫度越高,其阻值越大;

負溫度係數材料當溫度越高,阻值越小。

金屬的電阻溫度係數k與溫度的關係如下:

K為常數,銅材料K=234.5,鋁材料K=228.1,注意這是大寫的K,小寫的k為電阻溫度係數,T為線的溫度,金屬的電阻溫度係數通常都是以20℃為參照給出參數,故計算公式裡面有個「20」。

例如銅線的電磁爐線圈盤,在20℃時的直流阻值為R=100mΩ,此時電阻溫度係數為1,若功率為2200W時通過的電流為10A,那麼損耗在線圈盤上的功率為P=I2R=10A*10A*0.1Ω=10W

若是線圈的溫度達到100℃時,電阻溫度係數k=1+((100-20)/234.5)=1.34,此時的電阻R=1.34*100 mΩ=134 mΩ,那麼損耗在線圈盤上的固有功率為P=I2R=10A*10A*0.134Ω=13.4W,功耗多增加了3.4W。

所以在低頻情況下金屬材料的阻值與溫度相關,而在高頻情況下,金屬材料的阻值還與頻率相關,導線中電流的頻率越高,電子就會越趨於導線表面(類似皮膚),而不經過導線內部實心,這就是「集膚效應」。集膚效應的結果就是使導線的阻抗變大,相同的電流下發熱就會嚴重許多。這也就是電磁爐線圈盤為什麼要多股漆包線的原因。那麼具體要多少股,集膚效應到底有多大影響呢?這就需要一個可量化的參數叫集膚深度,集膚深度指導體中電流密度減小到導體截面表層電流密度的1/e(e為自然底數e=2.71828183)處的深度。

集膚深度定義

集膚深度的公式如下,單位為米(m):

k:材料的電阻溫度係數

ρ:材料的電阻率

ω:角頻率

μ:材料的磁導率

比如銅線在20℃,工作頻率25Khz時:

k=1+((20-20)/234.5)=1

ρ=1.75×10-8 Ω·m

ω=2πf

μ=4π×10-7 H/m

代入公式得到(注意單位轉換成了mm)

若是銅線在100℃時:

代入公式得到(注意單位轉換成了mm)

從以上可以看出,頻率越高集膚深度越小,其阻值就越小,損耗功率就越高。溫度越高時,集膚深度會增大,損耗的功率反而會降低。銅線阻值與溫度和頻率息息相關,溫度越高其直流阻值變大,交流阻值受集膚效應的影響有增有減,那麼整體的損耗功率我想也未必會增大,也有可能會降低,最終會穩定在某一個數值吧。

那麼在能效裡面,肯定是功率損耗越小,能效越高,降低線圈盤的溫升,肯定會使損耗變小。而線圈與鍋具中間隔著微晶板,為了諧振參數中間還會存在一些空隙,我們都知道這個空隙越小,磁能損耗也會變小,能效就越高,但是空隙變小後散熱能力下降,使線圈的溫度又上升了,這是一個矛盾體。

電磁爐框架

線圈盤透過微晶板給鍋具加熱的同時,鍋具的熱量也會熱傳導給微晶板,微晶板的熱量又會傳導給線圈盤,最後通過風道空隙把熱量帶走,實際上就間接帶走了負載的熱量,從而降低了能效,那麼有沒有辦法阻止帶走微晶板的熱量呢?我想在風道空隙層加入隔熱材料,這樣微晶板的熱量就不會傳導給線圈盤,且線圈盤的溫升也會降低,同時微晶板的熱量也只傳遞給鍋具,能效自然也就提高了。能效提升設想如下圖所示。

電磁爐能效提升系統設想

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